齿轮滚轧轮服役寿命研究
发布时间：2020-10-19 10:41
齿轮高效精密滚轧成形技术是一种新型齿轮制造方法,其技术特点是能保证金属材料组织流线在制造过程中不被切断,相对于传统方法具有生产效率高、材料利用率高、齿轮制品疲劳寿命长等优势,受到广泛关注。滚轧轮作为轧制模具,是滚轧成形设备的核心部件之一,滚轧轮直接与材料接触并实现轧制成形工艺,其服役寿命和耐用性直接影响着生产的效率和成本。实践表明,在大模数钢齿轮滚轧成形的过程中,滚轧轮受到很大的循环载荷,如果设计不够合理、工艺参数控制不当,极易发生轮齿疲劳断裂失效现象,严重影响滚轧生产的正常进行,而目前国内外对此方面的研究十分有限。本文以某型齿轮滚轧成形平台的轧制模具滚轧轮为研究对象,基于疲劳与断裂力学理论,研究滚轧轮的服役寿命,为优化成形工艺参数并提高滚轧轮的寿命提供有价值的参考。本文的主要研究内容如下:(1)阐述疲劳失效的主要过程及机理、疲劳寿命定量计算与裂纹扩展分析的方法,基于疲劳与断裂力学理论,构建适用于滚轧轮疲劳断裂失效分析及服役寿命评估的研究方法;(2)以滚轧轮材料冷作模具钢DC53为研究对象,基于极限拉伸强度估算材料的S-N曲线,确定冷作模具钢DC53的寿命评估参数;(3)基于非线性有限元方法模拟齿轮轴向滚轧成形工艺过程,分析滚轧过程中的载荷参数,并建立滚轧轮的模具应力分析模型,研究滚轧轮服役过程中的应力演化规律;(4)基于有限元方法开展滚轧轮服役寿命研究,根据滚轧轮应力演化规律及材料疲劳寿命参数研究滚轧轮服役条件下的疲劳寿命,根据材料断裂力学参数研究滚轧轮轮齿表面萌生疲劳裂纹之后的裂纹扩展寿命;(5)研究主要工艺参数坯料轴向进给速度和滚轧轮转速对滚轧轮应力状态与服役寿命的影响,为优化齿轮滚轧成形的工艺参数并提高滚轧轮的服役寿命提供参考依据。本文采用理论分析与数值模拟相结合的技术路线,基于疲劳与断裂力学理论,对滚轧轮的疲劳断裂失效进行较为全面的研究。研究结果对滚轧轮服役寿命评估、设计选材优化、成形工艺参数优化等实际应用提供了技术支撑。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG333
【部分图文】：
图 3.3 冷作模具钢 DC53S-N 曲线Fig.3.3 S-N curve of DC53 cold working die steel将式 3.8 所示的应力-寿命关系表达式绘制成应力-寿命曲线如图 3.3 所示 曲线将作为材料的疲劳寿命模型用于全寿命的评估。3 裂纹扩展寿命评估参数3.1 断裂韧度依据国家标准《GB/T 4161-2007 金属材料 平面应变断裂韧度试验方法》测定材料的断裂韧度。课题组前期研究工作中已按照国家标准方法，测定冷钢 DC53 的平面应变断裂韧度0.5= 22.18 M P a mIcK [78, 79]。3.2 裂纹扩展速率依据国家标准《GB/T6398-2000 金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法》，定材料的裂纹扩展速率参数。课题组前期研究工作中已按照国家标准方法，纹扩展速率试验，由裂纹扩展速率 da/dN 和应力强度因子范围 ΔK 作图并使
图 3.4 裂纹扩展速率试验 da/dN-ΔK 曲线Fig.3.4 da/dN-ΔK curve of DC53 crack propagation test使用如式 3.9 所示的 Paris 公式对应力比 R=0 条件下的疲劳裂纹扩展速率试据进行拟合。mC( )daKdN 中：裂纹长度；疲劳周次；/dN：单位循环的裂纹扩展量，即裂纹的扩展速率；：裂纹尖端应力强度因子变化范围；m：材料常数。Paris 公式能较好的描述冷作模具钢 DC53 的疲劳裂纹扩展第二阶段行为，验数据拟合得到的材料常数如表 3.5 所示，试验所得材料参数将用于裂纹扩展
图 4.2 20CrMnTi 材料应力-应变曲线Fig.4.2 Stress-Strain curve of 20CrMnTi steel将试验测定的压缩曲线数据作为材料力学性能模型建立于 Deform 3D 材20CrMnTi 材料应力-应变曲线用于齿轮滚轧成形的仿真分析。滚轧成形是形过程，伴随着大量热量产生，材料表面摩擦力相比于常规情况有所增加滚轧轮的摩擦系数取值为 0.2[28, 86]。.3 成形模拟结果由于塑性成形有限元计算消耗的计算机资源巨大，并且耗时严重，对计算合理的简化，可提高计算效率。本文重点研究内容是齿轮滚轧成形设备重轧轮的服役寿命，本节研究齿轮滚轧成形过程的主要目的在于求解滚轧，因此可以对齿轮滚轧成形模拟的模型进行部分简化。根据前期研究工作算的结果，单个轮齿成形模型与完整齿轮成形模型的模拟结果在滚轧轮方面并无差异，因此本节建立单个轮齿的滚轧成形仿真模型，坯料的成形 4.3 所示。
【参考文献】
本文编号：2847096
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG333
【部分图文】：
图 3.3 冷作模具钢 DC53S-N 曲线Fig.3.3 S-N curve of DC53 cold working die steel将式 3.8 所示的应力-寿命关系表达式绘制成应力-寿命曲线如图 3.3 所示 曲线将作为材料的疲劳寿命模型用于全寿命的评估。3 裂纹扩展寿命评估参数3.1 断裂韧度依据国家标准《GB/T 4161-2007 金属材料 平面应变断裂韧度试验方法》测定材料的断裂韧度。课题组前期研究工作中已按照国家标准方法，测定冷钢 DC53 的平面应变断裂韧度0.5= 22.18 M P a mIcK [78, 79]。3.2 裂纹扩展速率依据国家标准《GB/T6398-2000 金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法》，定材料的裂纹扩展速率参数。课题组前期研究工作中已按照国家标准方法，纹扩展速率试验，由裂纹扩展速率 da/dN 和应力强度因子范围 ΔK 作图并使
图 3.4 裂纹扩展速率试验 da/dN-ΔK 曲线Fig.3.4 da/dN-ΔK curve of DC53 crack propagation test使用如式 3.9 所示的 Paris 公式对应力比 R=0 条件下的疲劳裂纹扩展速率试据进行拟合。mC( )daKdN 中：裂纹长度；疲劳周次；/dN：单位循环的裂纹扩展量，即裂纹的扩展速率；：裂纹尖端应力强度因子变化范围；m：材料常数。Paris 公式能较好的描述冷作模具钢 DC53 的疲劳裂纹扩展第二阶段行为，验数据拟合得到的材料常数如表 3.5 所示，试验所得材料参数将用于裂纹扩展
图 4.2 20CrMnTi 材料应力-应变曲线Fig.4.2 Stress-Strain curve of 20CrMnTi steel将试验测定的压缩曲线数据作为材料力学性能模型建立于 Deform 3D 材20CrMnTi 材料应力-应变曲线用于齿轮滚轧成形的仿真分析。滚轧成形是形过程，伴随着大量热量产生，材料表面摩擦力相比于常规情况有所增加滚轧轮的摩擦系数取值为 0.2[28, 86]。.3 成形模拟结果由于塑性成形有限元计算消耗的计算机资源巨大，并且耗时严重，对计算合理的简化，可提高计算效率。本文重点研究内容是齿轮滚轧成形设备重轧轮的服役寿命，本节研究齿轮滚轧成形过程的主要目的在于求解滚轧，因此可以对齿轮滚轧成形模拟的模型进行部分简化。根据前期研究工作算的结果，单个轮齿成形模型与完整齿轮成形模型的模拟结果在滚轧轮方面并无差异，因此本节建立单个轮齿的滚轧成形仿真模型，坯料的成形 4.3 所示。
【参考文献】
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1 陈世磊;冷作模具钢DC53的断裂性能试验及滚轧轮轮齿裂纹扩展分析[D];重庆大学;2017年
本文编号：2847096
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